卫星便携站天线自动对星系统的设计与实现

摘要：针对卫星便携站窄波束天线找星难度大、对星耗时多、对星精度差的问题，设计并实现了一个附加在实装设备上的自动对星工具，以PIC单片机为核心，通过采集和处理GPS数据、方位俯仰传感器数据和卫星信号强度数据，控制高精度步进电机自动调整便携站天线方位角和俯仰角，从而实现快速、自动、精确对星。通过使用高精度步进电机代替传统手工操作，能够明显缩短对星时间、提高对星精度，且体积较小、安装拆卸容易、携带方便，显著提高了通信效能。
关键词：卫星便携站；自动对星；卫星信号强度；方位俯仰传感器；步进电机

0 引言
    目前，在卫星便携站对星方面，通常根据公式计算方位角和俯仰角的理论值，使用机械磁罗盘显示便携站天线的实际方位角和俯仰角，手动调整便携站天线实现对星。这种传统对星方式存在以下三个缺点：
    (1)由于方位角和俯仰角理论值公式是基于真北进行计算的，而机械磁罗盘显示的是磁北方向，存在一定的磁偏角，磁偏角随经纬度的不同，其值也不同，并且每年都发生变化，因此根据公式计算的方位角和俯仰角的理论值与实际精确对星值之间存在一定的偏差；
    (2)读取机械磁罗盘的时候，不同的操作人员会产生不同读取误差，通常会出现±1°～±3°的读取误差；
    (3)采用手动调整便携站天线对星的方式，对方位角和俯仰角的调整幅度不能做到精确控制，这一点对窄波束便携站天线对星的影响尤为明显。
    以上原因导致传统对星方式存在找星难度大、对星耗时多、对星精度差的问题，这一问题在陌生地域表现尤为突出，严重影响了卫星便携站的通信效能。
    针对传统对星方式存在的问题，本文提出了卫星便携站自动对星系统，该系统是一个附加在实装设备上的自动对星工具，以PIC单片机为核心，通过采集和处理GPS数据、方位俯仰传感器数据和卫星信号强度数据，控制高精度步进电机自动调整便携站天线方位角和俯仰角，从而实现快速、自动、精确对星。

1 相关研究
    在卫星便携站对星方面，文献提出了采用GPS采集便携站地理位置信息，通过公式计算当前便携站方位角和俯仰角理论值，采用传感器采集便携站方位角和俯仰角的实际值，手动调整便携站方位角和俯仰角，通过对比理论值和实际值实现辅助对星。
    这些辅助对星方式的优点有两个：采用GPS模块采集地理位置信息，根据公式计算便携站方位角和俯仰角的理论值，提高了效率；采用传感器模块代替了机械磁罗盘，消除了对星过程中的读取误差。但是，也存在两个缺点：因为磁偏角的存在，导致计算出的理论值并不是实际精确对星值；仍然采用手动对星方式，对星精度不高，不能真正达到完全自动对星。
    针对传统对星方式和辅助对星方式的不足，本文提出了卫星便携站自动对星系统的设计方案，设计实现了卫星便携站自动对星系统。

2 总体设计
    卫星便携站自动对星系统是一个附加在实装设备上的自动对星工具，以PIC单片机为核心，通过采集和处理GPS数据、方位俯仰传感器数据和卫星信号强度数据，控制高精度步进电机自动调整便携站天线方位角和俯仰角，从而实现快速、自动、精确对星。系统结构框图如图1所示。

3 硬件设计
    系统硬件由单片机硬件和机械部件两部分组成。
3．1 单片机硬件设计
    在单片机硬件设计上，选择Microchip公司生产的PIC18F97J60单片机作为主控制器构成硬件平台，利用其丰富的外部接口高速处理能力，达到实时采集数据、及时处理数据、快速传输数据的目的；GPS、方位俯仰传感器、卫星信号强度采集等模块均采用RS 232接口，保证了测量数据精度和接口一致性；步进电机驱动器根据单片机传来的PWM信号分别控制方位步进电机和俯仰步进电机的转动大小、转动方向、脱机和锁定，步进电机带动机械部分运动，调整便携站天线的方位角和俯仰角，本设计采用ZD-6560-V4型步进电机驱动器，具有三个调整细分数拨动开关，电机驱动器细分数越多，步进电机精度越高。单片机硬件部分连接框图如图2所示。

3．2 机械部件设计
    在机械部件设计上，采用齿轮、丝杠等机械部件将步进电机与便携站天线连接起来，从而实现了用步进电机控制便携站天线方位角和俯仰角调整的目的。机械部件设计模型如图3所示。

4 软件设计
    卫星便携站自动对星系统软件是整个系统的控制中心，负责采集输入信号、对输入信号进行分析处理、输出信号控制步进电机转动，以实现卫星便携站天线自动、快速、精确对星。
4．1 总体程序设计
    卫星便携站自动对星系统软件对GPS信息采集模块、方位俯仰传感模块、卫星信号强度采集模块传来的信息进行实时处理，并控制高精度步进电机转动，以带动便携站天线运动，实现自动对星。具体流程如下：首先根据GPS信息采集模块采集到的地理位置信息，根据公式计算便携站天线方位角和俯仰角的理论值，并用磁偏角对方位角进行修正；然后将经过修正理论值与方位俯仰传感模块采集的便携站天线当前的方位角和俯仰角进行比较，控制高精度步进电机转动，从而实现粗略对星过程；当粗略对星过程完成后，再在一个较小的区域内控制步进电机进行扫描，并实时监测卫星信号强度采集模块采集到的卫星信号强度，当卫星信号强度达到最大的时候，实现精确对星。软件总体流程框图如图4所示。

4．2 粗略对星程序设计
    对星需要两个重要参数：方位和俯仰。对星参数理论值的计算需要根据便携站天线当前地理位置信息(经度、纬度)进行计算，计算公式如下：
    设方位角为γ(方位角正南为0°)，正角度为南偏西的度数，负角度为南偏东的度数；俯仰角为δ；ψ为卫星的经度；α为卫星便携站当前的经度；θ为卫星便携站当前的纬度。
   
    由于根据公式计算得到的方位角理论值是以真北为标准的，而方位角传感器的采集值是以磁北为标准的，因此采集值和理论值之间存在一个差值，即磁偏角。计算出的对星参数理论值需要根据磁偏角进行修正。根据IGRF2005地磁场模型，利用NOAA的NG-DC提供的磁偏角计算程序，用磁偏角对方位角进行修正。
    便携站天线当前的方位角和俯仰角可以通过传感器直接采集到，然后将采集到的数据与修正过的理论值进行比较，决定步进电机的转动方向和大小，当步进电机按程序转动完成后，再次采集数据，重复上述步骤，直到采集值等于修正后的理论值为止。步进电机控制流程如图5所示。

4．3 精确对星程序设计
    卫星信号强度采集需要单片机与卫星信号强度采集模块之间首先交互握手信息，然后发送信号强度指令采集卫星信号强度，并保存采集到的卫星信号强度信息与前一次卫星信号强度进行比较，先控制方位步进电机调整方位角，再控制俯仰步进电机调整俯仰角，实现精确对星。精确对星流程如图6所示。

5 结论
    经过使用证明：平均对星时间由原来不确定减少到2 min以内，对星时间明显缩短；对星精度较传统手工对星方式提高2～10 dB，对星精度明显提高。
    卫星便携站自动对星系统是在实装设备上添加的一个自动对星工具，系统不改变实装设备的结构，只要在实装设备上添加该系统，就能够做到实装设备的快速、自动、准确对星。系统采用模块化的设计思想，只要更换机械部件，就可以应用于不同类型的卫星便携站，应用范围较大，实用性较强。